增材制造技術(shù)在超高膨脹封隔器中的應(yīng)用

張 輝

(中石化勝利石油工程公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257017)①

近年來，對更高效、更經(jīng)濟(jì)的裸眼隔離系統(tǒng)的需求顯著增加。雖然裸眼方法優(yōu)勢諸多，但無法控制井眼直徑大小及井眼不規(guī)則，造成裸眼完井極為困難[1-6]。裸眼封隔器必須能夠處理井眼形狀和直徑的變化，且致密巖層壓裂作業(yè)對隔離封隔器的承壓能力要求越來越高[7-8]。對于套管完井，多種套管線質(zhì)量(外徑相同)需要研發(fā)單一尺寸封隔器?，F(xiàn)有的套管完井封隔器通常涵蓋2種線質(zhì)量的套管，極少數(shù)封隔器涵蓋3種線質(zhì)量的套管。對于多種線質(zhì)量的套管來說，單一尺寸封隔器能夠降低作業(yè)成本，同時使施工方案更具靈活性。

貝克休斯公司的研究人員利用增材制造(Additive Manufacturing，簡稱AM)技術(shù)設(shè)計了獨(dú)特的密封元件支承環(huán)，研發(fā)了新型超高膨脹完井封隔器。新穎的AM設(shè)計減少了封隔器支承系統(tǒng)構(gòu)件的數(shù)量，同時顯著提高了膨脹能力和額定壓力。與AM支承環(huán)安裝在一起的封隔器密封元件系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)極端膨脹比、零擠壓間隙和對套管內(nèi)徑或井壁的高適應(yīng)性。分析和測試結(jié)果表明：直徑膨脹比高達(dá)111%，與常規(guī)封隔器相比，提高50%以上，坐封力比現(xiàn)有相同尺寸的封隔器低；至少涵蓋5種線質(zhì)量的套管(外徑相同)；在148.89 ℃的溫度下，密封元件能夠保持68.95 MPa壓力。

1 AM技術(shù)簡介

增材制造(AM)是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的一種利用材料堆積法制造實(shí)物產(chǎn)品的一項(xiàng)高新技術(shù)。該技術(shù)借助計算機(jī)、激光、精密傳動和數(shù)控等手段，將計算機(jī)輔助技術(shù)(CAD)和計算機(jī)輔助制造(CAM)集成于一體，將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫(yī)用生物材料，按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式，以逐層累積的方式在短時間內(nèi)直接制造產(chǎn)品樣品，無需傳統(tǒng)機(jī)械加工設(shè)備和工藝，顯著縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，增強(qiáng)了企業(yè)競爭力。相比傳統(tǒng)機(jī)械制造方法，增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具的快速制造，在單件或小批量生產(chǎn)用機(jī)械制造過程中，具有制造成本低，周期短的優(yōu)勢，因此廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。

AM技術(shù)是采用離散/堆積成型的原理，通過離散獲得堆積的路徑、限制和方式，經(jīng)過材料堆積疊加形成三維實(shí)體的一種前沿材料成型技術(shù)。其過程為：對具有CAD構(gòu)造的產(chǎn)品三維模型進(jìn)行分層切片，得到各層界面的輪廓，按照這些輪廓，激光束選擇性地切割一層層的紙(或樹脂固化、粉末燒結(jié)等)，形成各界面并逐步疊加成三維產(chǎn)品。由于AM技術(shù)把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加，因而可以在沒有模具和工具的條件下生成任意復(fù)雜的零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。

AM技術(shù)體系可分解為幾個彼此聯(lián)系的基本環(huán)節(jié)：三維模型構(gòu)造、近似處理、切片處理、堆積成型、后處理等。AM過程如圖1所示。

圖1 增材制造過程

目前，主流的成型工藝有光固化成型法、選擇性激光燒結(jié)、疊層實(shí)體制造法、熔融沉積成型。此外，噴射微粒制造、液體熱聚合、固體膜聚合以及三維噴涂技術(shù)等成型工藝也都有一定程度的應(yīng)用[9-11]。

2 AM支承環(huán)概念

為了研發(fā)單一尺寸封隔器，貝克休斯公司對可用于裸眼封隔器和套管封隔器的密封元件系統(tǒng)進(jìn)行了研究。技術(shù)要求為：①封隔器外徑為151.384 mm，內(nèi)徑為106.68 mm；②適用于外徑177.8 mm套管(5種套管線重：25.296、29.76、34.224、38.688和43.152 kg/m)；③液壓坐封系統(tǒng)采用雙活塞結(jié)構(gòu)；④工作壓差68.95 MPa；⑤工作溫度：65.56 ～148.89 ℃。

超高膨脹封隔器的研發(fā)存在諸多技術(shù)難題[12]，其壁厚膨脹比(最大套管內(nèi)徑(心軸外徑)/封隔器外徑(心軸外徑))約為常規(guī)封隔器的2倍。

1) 克服密封元件的不穩(wěn)定或褶皺(如圖2)，這在單件密封元件用于超高膨脹時極為常見。因?yàn)閱渭芊庠粔嚎s，其中部首先接觸套管(或井壁)，摩擦力結(jié)合持續(xù)壓縮引起密封元件內(nèi)折疊。密封元件折疊和翻轉(zhuǎn)的直接結(jié)果是在密封元件內(nèi)產(chǎn)生空隙和不規(guī)則內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致壓力額定值明顯減小和壓力反向。

圖2 高膨脹比引起的單件密封元件不穩(wěn)定和褶皺

2) 設(shè)計包含橡膠元件的易變形的支承環(huán)[13]，在壓力、拉伸/壓縮或組合載荷作用下，封隔器在膨脹的各個階段仍能夠提供剛性支撐。圖3為能夠?qū)崿F(xiàn)超高膨脹的早期封隔器支承系統(tǒng)設(shè)計之一，但不是高溫/壓應(yīng)用的最佳選擇。該C形環(huán)結(jié)構(gòu)易膨脹包含密封元件，但當(dāng)封隔器處于高膨脹情況下，C形環(huán)膨脹形成平袋，在高溫和壓力大于34.475 MPa的環(huán)境下，密封元件流入這些平袋，產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力及橡膠內(nèi)部損壞。

圖3 支承環(huán)開口引起的密封元件損壞

目前有許多類型的支承環(huán)[14]，應(yīng)用較為普遍的為后折環(huán)，該環(huán)很薄，由延性材料制成。后折環(huán)在膨脹率30%時效果良好，能夠很好地適應(yīng)不規(guī)則套管內(nèi)徑，但考慮到軟密封元件，軸向厚度很薄，易發(fā)生剪切破壞。后折環(huán)另一個常見破壞模式是周邊膨脹材料中的環(huán)向應(yīng)力聚集時，尖端會卷曲向下進(jìn)入密封元件，防止更大的膨脹率。

花瓣型支承環(huán)設(shè)計目的是通過疊加一組周向上布置有幾個切口的環(huán)消除剪切破壞，環(huán)與環(huán)的切口之間不對齊，可避免形成擠壓路徑?；ò戥h(huán)設(shè)計有助于保持高壓載荷，但當(dāng)花瓣環(huán)完全處于坐封位置時，特別是環(huán)尖端周圍，不能很好地適應(yīng)不規(guī)則套管內(nèi)徑，且當(dāng)在井眼中起下時，環(huán)與環(huán)的切口之間有可能對齊，形成擠壓路徑。

總之，后折環(huán)適應(yīng)套管內(nèi)徑，但在高壓下易發(fā)生剪切破壞；花瓣環(huán)不易發(fā)生剪切破壞，但缺乏適應(yīng)不規(guī)則孔的能力。AM支承環(huán)結(jié)合了后折環(huán)和花瓣環(huán)的優(yōu)勢，同時實(shí)現(xiàn)高適應(yīng)性和耐剪切能力。AM技術(shù)有助于使后折環(huán)和花瓣環(huán)集成為一個單件支承環(huán)。AM支承環(huán)如圖4所示。

圖4 AM支承環(huán)結(jié)構(gòu)示意

AM支承環(huán)優(yōu)勢為：①超高膨脹，至少涵蓋5種線重的套管(外徑相同)；②360°零擠壓間隙；③適應(yīng)性好；④抗剪切能力大、可定制；⑤可靠性強(qiáng)。

經(jīng)設(shè)計優(yōu)化及驗(yàn)證后，形成的新型AM支承環(huán)如圖5所示。內(nèi)環(huán)是厚度明顯減小的完整的后折環(huán)，其余部分是花瓣環(huán)，每層中有許多狹槽，層與層的狹槽之間不對齊。所有層能夠被打印成為一個整體，有一個共同基座，可以加工螺紋或倒角，從而實(shí)現(xiàn)與封隔器總成中其他組件的緊密配合。這是用常規(guī)制造技術(shù)極難實(shí)現(xiàn)的[15]。

圖5 新型AM支承環(huán)

3 AM材料力學(xué)性能

316L不銹鋼是支承環(huán)和膨脹產(chǎn)品最理想的材料之一。316L不銹鋼屈服強(qiáng)度低、極限抗拉強(qiáng)度中等、伸長性能優(yōu)，其力學(xué)性能如表1。

表1 316L不銹鋼力學(xué)性能

根據(jù)有限元分析結(jié)果，選擇能夠承受完全膨脹位置至少30%伸長率的支承環(huán)材料很有必要。雖然316L不銹鋼呈現(xiàn)了正交各向異性的力學(xué)性能，特別是在橫向和縱向方向，但在橫向和縱向方向上的伸長性能是所需要的2倍多，因此仍然是很好的選擇。與鎳合金和哈氏合金相比，316L不銹鋼成本相對較低(如圖6)。

圖6 支承環(huán)不同延性合金材料價格對比

廣泛地接受AM技術(shù)的問題之一是打印材料的性能。已經(jīng)對316不銹鋼進(jìn)行了大量研究，包括粉狀材料特性描述和不同維度及方向上每一個打印樣品的力學(xué)性能測試。應(yīng)力釋放后316不銹鋼的力學(xué)性能如表2。

表2 應(yīng)力釋放后316不銹鋼力學(xué)性能

在AM工藝中，材料特性和微結(jié)構(gòu)取決于打印方向，使用熱處理能夠緩解或幾乎完全消除該影響。與AN機(jī)內(nèi)AM支承環(huán)(如圖7)相同垂直方向打印的樣品的力學(xué)性能如表2，可以看出，在打印方向上力學(xué)性能最低，因此選擇了該方向的樣品。

圖7 AM支承環(huán)打印方向

316L不銹鋼和316不銹鋼對比表明，雖然極限抗拉強(qiáng)度大致相同，但屈服強(qiáng)度差異明顯。還發(fā)現(xiàn)316不銹鋼伸長率較小，但即使在最弱的打印方向，材料仍擁有50%以上的伸長率。如前所述，超高膨脹封隔器支承環(huán)材料的主要力學(xué)性能為30%的伸長率，316不銹鋼滿足了該需求[10]。

4 設(shè)計優(yōu)化

AM封隔器研發(fā)分為2個步驟；第1步集中于AM支承環(huán)構(gòu)件優(yōu)化；第2步的重點(diǎn)是密封元件系統(tǒng)優(yōu)化，將橡膠元件、AM支承環(huán)和其他支撐構(gòu)件組裝到一起，確定是否滿足溫度和壓力要求。AM封隔器研發(fā)的工藝流程[10]如圖8。

圖8 AM封隔器研發(fā)流程

4.1 構(gòu)件優(yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化過程用于解除形狀限制約束，產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)極端性能目標(biāo)同時使用較少材料的設(shè)計，目標(biāo)是適應(yīng)套管內(nèi)徑(最大和最小套管內(nèi)徑)和心軸體外徑的易于膨脹的支承環(huán)。支承環(huán)必須耐壓68.95 MPa，在剪切平面上無破裂發(fā)生。圖9顯示了迭代設(shè)計過程，從不符合要求至適應(yīng)套管內(nèi)徑和心軸體外徑，直到滿足所有適應(yīng)性、溫度和壓力要求的最終設(shè)計[10]。

圖9 AM支承環(huán)設(shè)計優(yōu)化順序

4.2 密封元件系統(tǒng)優(yōu)化

在優(yōu)化AM支承環(huán)后，進(jìn)行了密封元件的2D軸對稱非線性有限元分析。模擬真實(shí)的試驗(yàn)環(huán)境，每次有限元分析荷載步如下：

①安裝密封元件；②熱-機(jī)械耦合；③最高溫度下坐封密封元件系統(tǒng)；④最高溫度下施加壓力；⑤泄壓；⑥重復(fù)以上步驟至最低溫度；⑦最高溫度下施加壓力。

這是一個增量迭代過程，在這個過程中，能夠改變或重新設(shè)計密封元件數(shù)量、密封元件寬度和長度及周圍的支撐構(gòu)件，目標(biāo)是產(chǎn)生優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計，在規(guī)定的低坐封力下即可坐封，并能夠在最低和最高溫度下保持壓力，而無任何構(gòu)件破裂或密封元件泄露現(xiàn)象發(fā)生[10]。

5 室內(nèi)測試

室內(nèi)測試在垂直試驗(yàn)單元中進(jìn)行，現(xiàn)有的試驗(yàn)臺和夾具減少了所需新機(jī)加工件的數(shù)量。根據(jù)有限元分析結(jié)果，對于外徑151.384 mm的封隔器，最大套管內(nèi)徑確定為168.402 mm。

對圖10所示的封隔器進(jìn)行了測試。封隔器沒有卡瓦，測試過程中液壓致動器用于控制封隔器在套管內(nèi)適當(dāng)?shù)奈恢?。封隔器?48.89 ℃的溫度下用充氮蓄能器實(shí)現(xiàn)液壓坐封，然后施加壓力68.95 MPa。

圖10 AM超高膨脹封隔器

測試結(jié)果表明，AM支承環(huán)在148.89 ℃的溫度下，能夠成功地膨脹至最大套管內(nèi)徑，直徑膨脹比高達(dá)111%，與常規(guī)封隔器相比，提高了50%以上。

試驗(yàn)壓力和溫度的變化曲線如圖11所示，在148.89 ℃的溫度下，AM支承環(huán)成功保持了68.95 MPa壓力。

圖11 試驗(yàn)壓力和溫度隨時間的變化曲線

經(jīng)拆卸后發(fā)現(xiàn)，密封元件和支承總成的功能符合設(shè)計要求，AM支承環(huán)沒有明顯的損壞，而且也沒有任何密封元件擠壓通過AM支承環(huán)(如圖12)；AM支承環(huán)的花瓣完全適應(yīng)套管內(nèi)徑和鄰近的花瓣；測試后變形的AM支承環(huán)與優(yōu)化設(shè)計的變形形狀匹配良好。

圖12 測試后的密封元件和支承系統(tǒng)

6 結(jié)論

1) AM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具的快速制造，具有制造成本低，周期短的優(yōu)勢。

2) 為確保使用期限內(nèi)的高性能和可靠性，AM原材料必須經(jīng)受嚴(yán)格的力學(xué)性能測試。

3) AM支承環(huán)可實(shí)現(xiàn)超高膨脹，且保持了零擠壓間隙。

4) 在148.89 ℃的溫度下，AM支承環(huán)成功經(jīng)受住了68.95 MPa的壓力(剪切力689.471 kN)，無任何損壞跡象。

5) 新型封隔器的AM支承環(huán)正處于樣機(jī)測試階段，建議進(jìn)行更大膨脹能力(提高25%)、更高的承壓能力(103.425 MPa)和更高的作業(yè)溫度(176.67 ℃)測試，以滿足更大范圍的現(xiàn)場作業(yè)需要。